摘要：为研究转速变化与长时间吸气带液对电动汽车空调压缩机制冷性能的影响，本文使用依据制冷剂气体冷却法设计的压缩机性能试验台架在两种不同吸气带液工况下对转速范围（800~8 500）rpm 的电动涡旋压缩机制冷性能进行测试，并比对了其在转速8 500 rpm 的300 h 不停机连续运行带液耐久试验前后性能变化。结果表明：同一工况下，制冷量随压缩机转速升高呈近线性上升，制冷性能系数随转速升高先增大后减小，约在6 000 rpm 时达到最大值。以最低转速运行时，制冷性能下降显著，易出现吸排气压力波动。在300 h 吸气带液后，压缩机制冷性能系数约下降3.3 %，且在实验过程中出现积油、积液现象，个别样品起动故障。引言
随着新能源汽车行业的高速发展，传统汽车零部件正逐步向电子和电气化方向转型，以达到智能控制、节约能耗的目的。在传统燃油车中，动力系统和空调系统相对独立，空调系统只需维持驾驶舱热环境舒适性，采用以发动机皮带驱动的机械式压缩机制冷，结构和制冷模式相对简单，其中乘用车多使用斜盘式和旋叶式压缩机。相较而言，电动汽车取消了内燃机，直接以动力电池驱动空调压缩机，在行业内带来了革命性的变化。结构上，电动压缩机取消了前端驱动轮，改为驱动电机和集成控制模块，将控制器、电机和压缩机结合成有机整体，实现一体化设计，极大提升了空调系统控制效率。当前主流的新能源汽车电动压缩机为涡旋式电动压缩机，具有密封性能及可靠性强、噪声小、高能效比等优点。由于减小了输入功耗的限制，同时为适应汽车运行过程中复杂多变的外界环境，新能源汽车电动压缩机往往设计有更大的转速及制冷、制热量范围，并可在极端环境下维持正常运行。在汽车空调实际应用场景中，压缩机有一定概率在不良工况下运行，承受液击的风险，这对压缩机自身的可靠性提出了更高要求。基于当前电动汽车空调压缩机的发展趋势，本文在吸气带液工况下，对不同转速和长时间带液耐久试验过程的电动涡旋压缩机制冷性能特性进行了研究。1 试验系统
1.1 新能源汽车电动压缩机性能试验台架
试验台架主要依据GB /T 5773—2016《容积式制冷剂压缩机性能试验方法》中定义的制冷剂气体冷却法设计，其大致构造原理如图1。如图1 所示，从压缩机排气端出口的高温高压气态制冷剂在主路经油分离器后进行一次节流，部分制冷剂气体在冷凝器中与设定温度的超纯水进行换热，被冷却为高压的具有一定过冷度的液态制冷剂，通过膨胀阀前的液体流量计和温度压力传感器测得并计算出相应液路质量流量与膨胀阀入口处冷媒焓值。液态制冷剂经过膨胀阀降压后进入气体冷却器，与气路中被二次节流的低压制冷剂充分混合，汽化为混合较为均匀的低温低压气体并再次进入压缩机吸气端完成循环。在理想绝热状态下，流入气体冷却器中的液态制冷剂与气态制冷剂质量比为这二者在气体冷却器中比焓变化之比的倒数。1.2 油分离式OCR 控制回路
为减少不良油循环对压缩机运行状态的影响，试验中需对系统油循环率（oil circulation rate，OCR）进行控制。如上图所示，从压缩机排气端排出的含油制冷剂气体先进入油分离器（Temprite 925R），油分离器通常由电加热器加热至100 ℃，以降低冷冻机油在制冷剂中的溶解度，便于油和制冷剂的高效分离。被分离出的冷冻机油流入油分离器下方的储油罐，并在回油管路中经过油流量计和回油调节阀，进入油冷却器中被冷却为和吸气端制冷剂气体近似的温度，重新流回压缩机腔内。这一过程中对OCR 的控制主要采用油流量或油液位两种方式，流量计和传感器将采集到的实时质量流量或液位度数反馈回数据处理单元，根据采集值与设定值的偏差程度向PLC 表发送控制指令，PLC 表再通过控制回油调节阀的开度改变回路中的OCR，达到自动调节的目的，使OCR 维持在设定值。2 试验工况
试验采用某新能源汽车品牌电动压缩机，制冷剂为R134a，转速（800~8 500）rpm，压缩机排量Vd 为3.4×10-5m3。对该压缩机在800、1 000、2 000、3 000、4 000、5 000、6 000、7 000、8 000 rpm 时的制冷量及COP进行了测试，试验工况见表1。为模拟汽车实际使用场景，在试验中将压缩机吸气端的制冷剂带液比例设定为90 %，以考核压缩机应用在实车中不良吸气状态下的性能表现。吸气带液比例由气路阀后焓值、液路阀前焓值及对应质量流量计算得到，可通过调节液路膨胀阀开度进行控制，具体计算及控制方法此处不作详细说明。3 试验结果及分析
3.1 变转速下制冷性能分析
图3 所示为C1 工况下压缩机制冷量与COP 随转速的变化趋势。由图可知，从1 000 rpm 转速开始，压缩机制冷量随转速以近线性关系增大。当转速从3 000 rpm 提升至6 000 rpm 时，制冷量从2 509.0 W 升高到5 057.4 W，提升101.6 %，这是由于随转速增大，系统中的制冷剂流量质量增加。在此过程中，液路管道中制冷剂质量流量从26.3 kg/h 增大到54.1 kg/h，提升105.7 %，与制冷量的变化比接近。图3 C1 工况下制冷量与COP 随压缩机转速的变化如上图中COP 随压缩机转速变化趋势所示，在800 rpm 与1000 rpm 转速工况下，压缩机COP 下降显著，此时压缩机吸排气压力易波动。当以低转速运行时，影响压缩机性能的主要参数为压缩机内部泄漏量。涡旋压缩机中的泄漏通常可按泄漏部位的不同分为切向泄漏、径向泄漏及背腔与吸气腔之间的泄漏三种。在低速状态下，压缩机内制冷剂流量下降，管道流阻增大，泄漏量迅速上升，使得相应的制冷能力下降明显。同时，由于制冷剂流量小，流动阻力增大等原因，压缩机运行中易出现流量压力波动，机体振动加剧，进而影响制冷性能。压缩机COP 在6 000 rpm 时出现最大值，约为1.89，相较3 000 rpm 时上升5.6 %。如图4 所示，C2 工况下制冷量随转速变化与C1 工况趋势相近。在6 000 rpm 时，压缩机制冷量为2 328.9 W，COP 仅为1.28，相较C1 同转速下工况下降32.3 %。这一差异主要来源于吸排气压力下降导致的管路制冷剂流量减小与压比增大导致的压缩机功率增加。图4 C2 工况下制冷量与COP 随压缩机转速的变化3.2 带液耐久试验前后制冷性能变化
在C2 工况下以压缩机最大转速8500rpm 进行300h不停机连续运行带液耐久试验，得到制冷量和COP 的变化趋势如图5 所示。图5 带液耐久试验制冷量和COP 随运行时长的变化由图可知，制冷量与COP 总体上均随连续运行时长增加而下降。试验初始时制冷量为3 301.8 W，COP为1.20，运行300 h 后制冷量下降为3 159.8 W，COP 降为1.16，制冷量下降4.3 %，COP 下降3.3 %。这一趋势主要和吸气端进入的制冷剂液体对诸如涡盘之类的压缩受力件造成的冲击损耗有关。实际测试中发现，长时带液耐久试验中压缩机易发生积油、积液现象，使变频控制模块工作异常，造成起动障碍。4 结论
本文通过依据制冷剂气体冷却法设计的电动压缩机性能试验台架，在吸气带液比为90 % 的两种不同工况下研究了压缩机制冷量和COP 随转速的变化（800~8 500）rpm 范围内，并对转速8 500 rpm 时300 h不停机连续运行带液耐久试验过程的制冷性能变化进行了分析。试验得到的结论如下：1）同一工况下，制冷量随压缩机转速升高近似呈线性增大。在最低转速时，由于泄漏量增大和振动异常，压缩机制冷性能明显下降。2）同一工况下，COP 随压缩机转速升高先增大后减小，在6 000 rpm 时达到最大值。在转速（3 000~8 500）rpm 范围内，COP 变化趋势相对平缓；当转速小于3 000 rpm 时，COP 随转速减小下降显著。3）300 h 不停机连续运行带液耐久试验后制冷量约下降4.3 %，COP 约下降3.3 %，这一变化趋势或与制冷剂液滴进入压缩机内部造成的受力件冲击损耗有关。作者：谷荀1,2，卓泽铭1,2，黄凯琦1，杨兆锋1,2，郑柏然1,2，黄庆明1,2
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